Sử dụng phương pháp bình phương tổi thiểu để xác định hằng số cân bằng của axit Tactric từ dữ liệu PH thực nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM



HOÀNG MINH CẢNH

SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP BÌNH PHƢƠNG TỐI THIỂU

ĐỂ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG

CỦA AXIT TACTRIC TỪ DỮ LIỆU pH THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: HOÁ HỌC PHÂN TÍCH

Max số: 60.44.01.18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS Đào Thị Diệp

Thái Nguyên, năm 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại phòng thí nghiệm Hoá phân tích Trường

Đại học Sư phạm I Hà Nội.

Bằng tấm lòng trân trọng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới

PGS.TS Đào Thị Phương Diệp - người Thầy đã tận tình hướng dẫn em trong

suốt quá trình hoàn thành luận văn.

Em xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hoá học và các Thầy

Cô giáo trong tổ bộ môn Hoá phân tích Trường Đại học Sư phạm I Hà Nội đã

giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình làm thực

nghiệm.

Tôi xin chân thành cảm ơn BGH Trường THPT Chuyên Tuyên Quang,

các đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã ủng hộ và động viên tôi hoàn thành

luận văn.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 4 năm 2013

HOÀNG MINH CẢNH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

MỤC LỤC

Trang

Mục lục............................................................................................................... i

Danh mục các từ viết tắt................................................................................... iii

Danh mục các bảng .......................................................................................... iv

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

NỘI DUNG....................................................................................................... 5

Chƣơng 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 5

1.1. Cân bằng và hoạt độ [9]......................................................................... 5

1.1.2. Các phương trình kinh nghiệm đánh giá hệ số hoạt độ của ion.......... 8

1.1.3. Phương pháp thực nghiệm đánh giá hệ số hoạt độ ion - Phương

pháp Kamar. ................................................................................................ 11

1.2. Các phương pháp xác định hằng số cân bằng...................................... 14

1.2.1. Phương pháp bình phương tối thiểu [11].......................................... 14

1.2.2. Phương pháp đơn hình [4] ............................................................... 17

1.2.4. Tính hằng số cân bằng nồng độ

 C

sau đó ngoại suy về lực ion...... 20

1.2.5. Phương pháp Kamar đánh giá hằng số phân li axit [5].................... 21

1.2.6. Phương pháp độ dẫn điện [5]............................................................ 24

1.2.7. Phương pháp đo điện thế [5]............................................................. 24

1.2.8. Phương pháp quang học [5].............................................................. 26

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM........................................................................ 26

2.1. Hoá chất và dụng cụ............................................................................. 26

2.2. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................... 27

2.2.1. Pha chế dung dịch. ............................................................................ 27

2.2.2. Chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch axit tactric (C4H4O6)

bằng dung dịch NaOH................................................................................. 27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

Chƣơng 3. XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG TỪNG NẤC CỦA

AXIT TACTRIC TỪ GIÁ TRỊ pH ĐO ĐƢỢC BẰNG THỰC

NGHIỆM........................................................................................................ 32

3. 1. Thuật toán tính lặp hằng số cân bằng phân li axit theo phương

pháp BPTT kết hợp với ĐKP...................................................................... 32

3.1.1. Hệ đa axit .......................................................................................... 32

3.1.2. Hệ đa bazơ......................................................................................... 37

3.1.3. Hệ muối axit...................................................................................... 39

3.2. Kết quả và thảo luận............................................................................. 45

3.2.1. Kết quả tính hằng số phân li của axit tactric từ pH của dung dịch

axit tactric.................................................................................................... 45

3.2.2. Kết quả tính hằng số phân li của axit tactric từ pH của dung dịch muối

tactrat............................................................................................................... 54

3.2.3. Kết quả tính hằng số phân li của axit tactric từ pH của dung dịch muối axit 55

KẾT LUẬN.................................................................................................... 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 59

PHỤ LỤC....................................................................................................... 61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BPTT : Bình phương tối thiểu

ĐKP : Điều kiện proton

ĐTĐ : Điểm tương đương

HSCB : Hằng số cân bằng

I : Lực ion

[i] : Nồng độ cân bằng của cấu tử i

h : Hoạt độ của ion H+

pH : Giá trị pH của dung dịch

pHLT : pH lí thuyết

pHTN : pH thực nghiệm

TPGH : Thành phần giới hạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Kết quả chuẩn độ thể tích xác định nồng độ chất gốc.................... 28

Bảng 2.2: Giá trị pH của hệ axit tactric (H2A)................................................ 29

Bảng 2.3: Kết quả chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch axit tactric.......... 30

Bảng 2.4: Kết quả chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch axit tactric.......... 31

Bảng 3.1: Kết quả tính đạo hàm bậc nhất và bậc hai của phép chuẩn độ

điện thế đo pH của dung dịch axit tactric (mẫu 1) .......................... 47

Bảng 3.2: Giá trị pH của hệ muối tactrat (A2-

)................................................ 49

Bảng 3.3: Giá trị pH của hệ muối hiđrotactrat (HA-

) ..................................... 49

Bảng 3.4: Kết quả tính lặp hằng số phân li axit từng nấc của axit tactric

theo phương pháp BPTT từ các giá trị pH đo được bằng thực

nghiệm của hệ đa axit ...................................................................... 50

Bảng 3.5: So sánh giá trị pKa

tính theo pHLT(giữ nguyên 14 chữ số thập

phân) và giá trị pKa

tính theo pHLT(làm tròn 3 đến chữ số thập

phân) ............................................................................................... 53

Bảng 3.6: Kết quả tính lặp hằng số phân li axit từng nấc của axit tactric

theo phương pháp BPTT kết hợp với ĐKP từ các giá trị pH đo

được bằng thực nghiệm (Hệ đa bazơ) ............................................ 54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

MỞ ĐẦU

Trong hướng nghiên cứu về cân bằng ion nhiều năm gần đây đã tập

trung nghiên cứu các phương pháp lí thuyết kết hợp với việc ứng dụng công

nghệ thông tin để lập các chương trình tính toán đánh giá các hằng số cân

bằng (HSCB) axit-bazơ từ giá trị pH đã biết.

Mở đầu cho hướng nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng giá trị pH tính

theo lý thuyết bằng phương pháp tính lặp theo ĐKP, kết hợp với phương

pháp bình phương tối thiểu [1], [8], [12], thuật toán đơn hình [10] và thuật

giải di truyền [5] bước đầu khai thác khả năng sử dụng các phương pháp này

để xác định HSCB của các đơn, đa axit. Các kết quả thu được phù hợp với số

liệu tra được từ tài liệu [6]. Cũng theo hướng này tác giả trong [8] cũng tính

được các hằng số tạo phức hiđroxo đơn nhân của các ion kim loại từ các giá

trị pH tính được theo lý thuyết áp dụng điều kiện proton. Kết quả tính cũng

thỏa mãn.

Để khai thác ứng dụng của phương pháp bình phương tối thiểu, tác

giả trong [11] đã tiến hành đo pH của hỗn hợp axit axetic và axit fomic

bằng phương pháp chuẩn độ điện thế. Kết quả xác định HSCB (thông qua

việc tính lặp lực ion) của axit axetic là thỏa mãn, còn giá trị HSCB của axit

fomic tính được dựa vào pH thực nghiệm có bị lệch nhưng không nhiều so

với số liệu lí thuyết.

Cũng theo hướng này, trong [7], các tác giả đã sử dụng phương pháp

bình phương tối thiểu để đánh giá HSCB của axit axetic và axit benzoic trong

hỗn hợp từ dữ liệu pH thực nghiệm. Kết quả thu được là tương đối thỏa mãn.

Điểm chung của [7] và [11] là xác định hằng số phân li axit của các đơn axit

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

từ giá trị pH đo được của dung dịch gồm hỗn hợp hai đơn axit có HSCB

tương đương nhau.

Để xác định hằng số phân li axit của các đơn axit có HSCB chênh lệch

nhau nhiều như axit axetic và amoni, tác giả trong tài liệu [2] và [3] đã tiến

hành thực nghiệm đo pH và chuẩn độ đo pH của dung dịch hỗn hợp gồm axit

axetic và amoni; đo pH của dung dịch từng đơn axit riêng rẽ và đối với amoni

là axit rất yếu, do đó tác giả đã đo pH của dung dịch đơn bazơ liên hợp là

NH3. Từ các giá trị pH đo được của các hệ khác nhau tác giả [2] và [3] đã sử

dụng đồng thời cả 2 phương pháp: phương pháp bình phương tối thiểu và

phương pháp đơn hình để đánh giá HSCB của axit axetic và amoni. Kết quả

thu được là hợp lý.

Tiếp tục theo hướng nghiên cứu này, trong [4] đã nghiên cứu ứng

dụng phương pháp bình phương tối thiểu để đánh giá HSCB từng nấc của

axit oxalic từ giá trị thực nghiệm đo pH và chuẩn độ đo pH của dung dịch

axit oxalic. Kết quả nghiên cứu cho thấy: từ tập giá trị pH của các dung

dịch axit oxalic (dung dịch đa axit) chỉ cho phép đánh giá khá chính xác

HSCB nấc 1 (Ka1). Ngược lại, từ tập giá trị pH của các dung dịch muối

oxalat (dung dịch đa bazơ) chỉ cho phép đánh giá khá chính xác HSCB nấc

2 (Ka2). Còn nếu sử dụng giá trị pH của các dung dịch muối axit thì có khả

năng xác định được cả hai giá trị HSCB Ka1 và Ka2.

Vấn đề đặt ra ở đây là đối với các đa axit khác, nhận xét trên còn phù

hợp không. Hay nói cách khác: phương pháp tính lặp theo nguyên lí bình

phương tối thiểu có cho phép xác định được đồng thời hằng số phân li từng

nấc của đa axit từ kết quả thực nghiệm đo pH của dung dịch đa axit hay

không? Đây chính là điều mà chúng tôi đang cần quan tâm. Vì vậy, chúng tôi